Техникоэкономические предпосылки проектирования колёсного движителя Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

Технико-экономические предпосылки проектирования колёсного движителя

В.А. Шахов, д.т.н., профессор,

A.А. Сорокин, к.т.н., И.З. Аширов, к.т.н.,

B.И. Сычёв, соискатель, Оренбургский ГАУ

При работе колеса в ведомом режиме на него со стороны опорной поверхности действует сила сопротивления качению (рис. 1). Эту силу вызывают несколько различных по характеру, направлению действия и месту приложения реакций, поэтому единой физической величины сопротивления качению не существует.

Рис. 1 - Работа ведомого колеса:

V - направление движения оси колеса; г - радиус качения; в - вертикальная нагрузка на колесо; F - толкающая сила; У X - соответственно вертикальная и горизонтальная составляющие реакции опорной поверхности R

В общем случае качения колеса сообщаемая ему работа затрачивается на выполнение следующих видов работ:

1. Работа уплотнения (прессования) почвы в вертикальном направлении, т.е. образование колеи.

2. Работа трения протектора шины о поверхность контакта.

3. Работа гистерезисных потерь на деформацию шины.

Сопротивление уплотнению почвы можно определить зависимостью [1]:

(1)

где к — коэффициент объёмного сжатия почвы; Ь — ширина протектора шины; к — глубина колеи;

п — показатель степени, характеризующий свойства почвы.

Судя по выражению 1, на сопротивление уплотнению почвы влияет главным образом глубина колеи. В свою очередь величина кк при прочих равных условиях будет тем меньше, чем больше диаметр колеса, т.к. при этом увеличивается площадь контакта колеса с почвой.

Трение протектора шины об опорную поверхность обусловливается окружной деформацией шины и упругим скольжением протектора о поверхность качения. В процессе качения деформирующего колеса по деформируемой поверхности, а именно такой случай характерен для работы сельскохозяйственных тракторов, происходит деформация одновременно шины и опорной поверхности (рис. 2). Часть опорной поверхности при повороте колеса из дуги превращается в прямолинейный участок, т.е. её длина уменьшается, а дуга протектора переходит в хорду, также укорачиваясь [2]. При этом уменьшении дуг возникает проскальзывание контактирующих поверхностей друг относительно друга, т.е. трение. Значение силы трения зависит от величины нормального прогиба шины и от глубины колеи, т.е. также от диаметра колеса: чем больше диаметр, тем меньше сила трения.

Рис. 2 - Схема взаимодействия шины с опорной поверхностью

Деформация шины сопровождается внутренним трением в её материале. Потери на внутреннее трение принято называть гистерезисными. Аналитически рассчитать эти потери не представляется возможным по причине сложности объёмной деформации и геометрической формы шины, неоднородности её материала и наличия других факторов, не поддающихся теоретическому описанию [3]. Силу внутреннего трения можно определить по эмпирической формуле [1]:

[ _

р = к • О • 3 -П (2)

у

где кш — коэффициент, характеризующий материал шины, конструкцию каркаса и др.;

01 — вес, приходящийся на колесо; кп — нормальной прогиб шины;

Б — диаметр колеса.

С увеличением диаметра колеса нормальный прогиб также увеличивается, но рост числителя менее интенсивен, чем рост знаменателя, т.е. сила внутреннего трения в материале шины будет тем меньше, чем больше диаметр колеса.

Таким образом, суммарное сопротивление качению колеса уменьшается с ростом его диаметра.

При работе колеса в ведущем режиме (рис. 3) между опорной поверхностью и протектором шины возникает касательная сила тяги Рк, которую образуют силы зацепления грунтозацепов о почву, силы трения между контактирующими поверхностями и силы сопротивления сдвигу

Рис. 3-Работа ведущего колеса:

А51? А5тах - промежуточная и конечная деформация грунта и грунтозацепа; Ркр - крюковое усилие; Мвед -крутящий момент на колесе

бруска почвы, расположенного между почво-зацепами.

С увеличением диаметра колеса увеличивается продольный размер пятна контакта (рис. 3), что приводит к увеличению числа почвозацепов, одновременно участвующих во взаимодействии с опорной поверхностью, т.к. изменение размеров движителя не должно приводить к изменению расстояния между ними. Кроме того, контакт частного грунтозацепа с почвой становится более продолжительным. Всё это приводит к повышению касательной силы тяги, а следовательно, и тяговых возможностей трактора. Ещё одним положительным следствием выступает тот факт, что с увеличением площади пятна контакта уменьшается удельное давление движителя на почву. Для повышения силы тяги на крюке появляется возможность догрузить движитель, не нарушая агротехнических требований по условию воздействия на почву.

Однако кроме указанных позитивов существует и недостаток увеличения диаметра колеса — повышение себестоимости изготовления шины. Поэтому, на наш взгляд, следует сопоставить прирост производительности машинно-тракторного агрегата на базе трактора с увеличенным диаметром колёс с приростом себестоимости движителя и дать экономическую оценку проекта.

Литература

1. Бойков В.П., Белковскии В.Н. Шины для тракторов и сельскохозяйственных машин. М.: Агроиромиздат, 1988.

2. Кутьков Г.М. Тракторы и автомобили. Теория и технологические свойства. М.: КолосС, 2004.

3. Чудаков Д.А. Основы теории и расчёта тракторов и автомобилей. М.: Колос, 1972. 364 с.